Спосіб вимірювання фазної ємності електромережі

Власники патенту UA 2510034:

Винахід відноситься до галузі електротехніки і може бути використане для вимірювання ємності між фазами і корпусом (або землею) у будь-яких трифазних електромережах, наприклад суднових. Описаний спосіб вимірювання фазної ємності електромережі з ізольованою нейтраллю, який включає в себе почерговий вимір струмів замикання кожної з фаз і відрізняється тим, що додатково вимірюють кути між векторами струмів замикання і векторами напруг, що виникають при замиканнях на нейтралі, використовуючи які розраховують фазні ємності. Спосіб підвищує точність і усуває помилки щодо фазних ємностей електромережі. 3 іл.

Відомий спосіб вимірювання ємності (UA №143141 A1, G01R 27/26, опубл. 01.01.1961), що полягає в осцилографуванні процесу розряду ємності через відомий опір за допомогою перерахункової схеми, що перетворює постійну часу величину ємності.

Недоліком способу є його непридатність для вимірювання ємності в мережі без її знеструмлення, що ускладнює його застосування.

Недоліком способу є його незастосовність для вимірювання ємності електромережі без її знеструмлення, а також відсутність можливості вимірювання ємності окремих фаз.

Найбільш близьким є спосіб визначення фазних ємностей електросистеми щодо корпусу (Ксенофонтов А.П. Захисні пристрої в суднових та берегових електроустановках рибної промисловості / А.П.Ксенофонтов, Ю.А.Шестопалов, В.Я.Островський. - М., 1984). - 255 с., стор.246), який прийнятий як найближчий аналог, що полягає впочергове замикання фаз електромережі на корпус через амперметр і подальший розрахунок фазних ємностей за виміряними струмами однофазних замикань на корпус.

Недоліком даного способу є те, що розрахунок проводиться або за спрощеними виразами, що призводять до великої похибки, або за нелінійною системою рівнянь, що має кілька рішень і вимагає застосування чисельних методів, що не виключає помилки щодо фазних ємностей електромережі.

Завдання винаходу полягає у підвищенні точності визначення фазної ємності електромережі за рахунок використання додаткового параметра, що дозволяє спростити розрахунки, що проводяться після вимірювань.

Для вирішення поставленої задачі у відомому способі, що включає почерговий вимір струмів замикання на землю кожної з фаз, пропонується вимірювати кути між векторами струмів замикання і векторами напруг, що виникають при замиканнях на нейтралі, за якими відомим способом розраховувати кути між векторами струмів замикання і векторами струмів витоку фаз, використовуючи які розраховувати фазні ємності за таким виразом:

( С A С B С C ) = 1 ω ⋅ U с ( 0 cos ( α A ) cos ( β A ) cos ( β B ) 0 cos ( α B ) cos ( α C ) cos ( β C ) 0 ) − 1 ( I A I B I C ) , ( 1 )

де CA, CB, CC - значення ємностей між кожною фазою і корпусом (або землею); ω – кутова частота мережі; Uc - значення напруги мережі, що діє; αA, αB, αC - кути між струмом замикання та струмом витоку відстаючої фази; βA, βB, βC - кути між струмом замикання та струмом витоку випереджальної фази; IA, IB, IC – діючі значення струмів замикання фаз.

На графічних матеріалах, що додаються до заявки, зображені:

- на фіг.1 - схема вимірювань при реалізації способу при використанні визначення кутаміж вектором струму замикання та вектором напруги на нейтралі ватметра з обмоткою напруги, включеної між нейтраллю і корпусом;

- на фіг.2 - схема вимірювань при реалізації способу при використанні для визначення кута між вектором струму замикання і вектором напруги на нейтралі ватметра з обмоткою напруги, що по черзі підключається між кожною з незамиканих фаз і корпусом;

- на фіг.3 - векторна діаграма струмів і напруги при замиканні однієї з фаз.

На схемах, що додаються, прийняті наступні позначення:

1 – амперметр; 2 - ватметр; 3 – обмотки електрообладнання; 4 – фазна ємність мережі; 5 – електросистема; 6 - вектор струму замикання; 7 - вектор струму витоку через фазу, що відстає, від замиканої; 8 - вектор струму витоку через випереджальну фазу; 9 - вектор напруги на нейтралі; 10 - вектор напруги на фазі, що відстає після замикання; 11 - вектор напруги на випереджальній фазі після замикання; 12 - вектор ЕДС замиканої фази; 13 - вектор ЕДС фази, що відстає; 14 - вектор ЕДС випереджальної фази.

Підвищення точності та простоти визначення ємності досягається за рахунок того, що завдяки вимірюванням кута між вектором струму замикання та вектором напруги на нейтралі вдається визначити кути між струмом замикання та струмами витоку фаз, що не замикаються. Це значно спрощує подальший розрахунок фазних ємностей мережі, що полягає у обчисленні лінійної системи рівнянь, що має єдине рішення.

На фіг.1 та 2 зображені варіанти підключення вимірювальних приладів при реалізації способу. У варіанті, зображеному на фіг.1, для проведення вимірювань амперметр 1 включається між фазою і корпусом, а ватметр 2 включається струмової обмоткою послідовно з амперметром і обмоткою напруги між нейтраллю мережі і корпусом.

Уваріанті, зображеному на фіг.2, амперметр 1 включається між фазою і корпусом, а ватметр 2 включається струмової обмоткою послідовно з амперметром, а обмоткою напруги спочатку включається між однією з незамиканих фаз і корпусом, потім включається між другою з незамиканих фаз і корпусом. Надалі обидва показання ватметра складаються і діляться на три.

За виміряними значеннями струму та активної потужності за відомим виразом можна визначити кут між вектором струму замикання та вектором напруги на нейтралі при замиканні i-ї фази:

ϕ i = arccos (P i U i ⋅ I i), (2)

де Pi – активна потужність при замиканні i-ї фази; Ui – фазна напруга мережі; ІІ - струм замикання i-ї фази (Основи теорії ланцюгів. Підручник для вузів / Г.В.Зевеке, П.А.Іонкін, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. - 4-те вид. - М.В. , "Енегрія", 1975. - 752 с.; Стор.135).

Як видно з векторної діаграми, зображеної на фіг.3, вектор струму замикання утворює трикутник з векторами струмів витоку кожної з фаз, що незамикаються 7 і 8. При цьому вектори струмів витоку незамиканих фаз 7 і 8 завжди зрушені по відношенню до вектора напруги замиканої фази на кути 2 π 3 та π 3 . Виходячи з цього кути в розглянутому трикутнику можуть бути знайдені наступним чином: між вектором струму замикання та вектором струму витоку відстаючої фази 8

α i = ϕ i − π 3 , ( 3 )

а між вектором струму замикання та вектором струму витоку випереджальної фази 7

β i = π 3 − α i . ( 4 )

Представивши модуль вектора струму замикання як суму проекцій на нього векторів струмів витоку фаз, які у свою чергу лінійно залежать від ємності цих фаз, можна скласти систему лінійних рівнянь для замикання кожної фази. Рішенням цієї системи будуть ємності кожної із фаз.

прикладреалізації способу показаний на фіг.1 та фіг.2. Фазні ємності мережі мають такі значення: CA = 2 мкФ; CB=8 мкФ; CC = 4.5 мкф. Напруга мережі 230 В. Частота мережі 50 Гц.

Показання приладів при вимірюванні за варіантом, зображеним на фіг.1:

Розрахунки, проведені за виразом (2), дають такі величини:

Звідки за виразами (3) та (4):

Підставивши ці значення вираз (1), отримаємо такі величини фазних ємностей: CA=1 мкФ; CB=8 мкФ; CC = 4.5 мкф.

Провівши вимірювання за схемою, зображеною на фіг.2, отримаємо такі показання приладів:

ватметр - PAB=132.52 Вт; PAC=-235.6 Вт (замикання фази А);

PBA=-132.52 Вт; PBC=58.9 Вт (замикання фази);

PCA = 235.6 Вт; PCB=58.9 Вт (замикання фази).

Суми показань ватметра, отриманих при замиканні кожної з фаз, розділені на три:

Як бачимо, вихідні дані розрахунку збігаються з попереднім варіантом реалізації способу. Оскільки подальші обчислення аналогічні наведеним вище, то результат виходить такий самий.

Використання способу, прийнятого за найближчий аналог, призводить до наступного.

Результати розрахунку за спрощеними виразами – CA = 2.3 мкФ; CB=8.29 мкФ; CC = 4.37 мкф. Максимальна похибка визначення ємностей становить 14,48%.

Система нелінійних рівнянь, що використовується замість спрощених виразів, має два рішення: 1 - відповідне дійсним значенням фазних ємностей (CA=2 мкФ; CB=8 мкФ; CC=4.5 мкФ); 2 - невідповідне дійсним значенням фазних ємностей (CA=3.65 мкФ; CB=0.12 мкФ; CC=3.87 мкФ), що може призвести до помилки визначення фазних ємностей.

Таким чином, видно, що спосіб вирішує поставлене завдання точного визначення фазних ємностей електромережі та виключає можливість виникнення помилки.

Спосіб вимірювання фазної ємності електромережі з ізольованою нейтраллю, що включає почерговий вимір струмів замикання на землю кожної з фаз, який відрізняється тим, що вимірюють кути між векторами струмів замикання і векторами напруг, що виникають при замиканнях на нейтралі, за якими відомим способом розраховують кути між векторами векторами струмів витоку незамиканих фаз, використовуючи які розраховують фазні ємності за наступним виразом: (C A C B C C ) = 1 ω ⋅ U з cos ( α C ) cos ( β C ) 0 ) - 1 ( I A I B I C ), де CA, CB, CC - значення ємностей між кожною з фаз і корпусом (або землею); ω – кутова частота мережі; Uc - значення напруги мережі, що діє; αA, αB, αC - кути між струмом замикання та струмом витоку відстаючої фази; βA, βB, βC - кути між струмом замикання та струмом витоку випереджальної фази; IA, IB, IC – діючі значення струмів замикання фаз.